지구과학1 개념 정리 1-2-4 <지질 시대의 환경과 생물> (2015 개정, 지엽 및 선지 포함)

이번 단원에서는 화석, 고기후 연구, 지질 시대의 구분, 지질 시대의 환경과 생물에 대해서 다뤄보겠다.

먼저 화석이란 무엇일까? 화석이란 생물의 유해나 흔적이 지층 속에 보존된 것으로, 주로 퇴적암에서 발견된다. 화석의 생성 조건으로는 뼈, 이빨, 껍데기, 줄기 등의 단단한 부분일 것, 사후에 빠르게 묻혔을 것, 원래의 성분이 화석화 작용을 거쳤을 것, 퇴적암이 생성된 후 지각 변동이나 변성 작용을 거치지 않았을 것 등이 있다. 이때 화석화 작용이란 원래 생명체의 성분이 재결정되고 광물질로 치환되면서 탄소 성분만 남아 단단해지는 것이다. 화석은 어디에 이용할 수 있을까? 화석은 지층을 대비할 때, 지질 시대의 구분, 고기후나 과거의 수륙 분포를 추정할 때, 생물 진화의 증거, 에너지 자원을 탐사할 때 쓰인다. 표준 화석이란 지질 시대의 구분 기준이 되는 화석이다. 지질 시대의 구분 기준이 되기 위해서는 생존 기간은 짧고, 개체수는 많고, 분포 면적이 넓어야 한다. 이를 만족하는 대표적인 표준 화석으로는 삼엽충, 암모나이트, 매머드 등이 있다. 시상화석이란 생물이 살던 당시의 환경을 추정할 수 있는 화석이다. 생물이 살던 당시의 환경을 추정할 수 있으려면 생존 기간은 길고, 분포 면적은 좁으며 환경 변화에 민감해야 한다. 이를 만족하는 대표적인 시상화석으로는 산호, 고사리 등이 있다.

고기후를 연구하는 방법에는 무엇이 있을까? 화석 연구로는 시상화석의 종류와 분포를 파악한다. 고사리가 발견되는 곳은 퇴적 당시에 온난하고 습윤한 육지였고, 산호가 발견되는 곳은 퇴적 당시에 온난하고 얕은 바다였다. 나무의 나이테를 보면 기온이 높고 강수량이 많았던 때에는 나무의 성장이 빨라 나이테의 폭이 넓고 밀도가 낮다. 이는 최근 1만년 이내의 비교적 가까운 과거의 기후를 알 수 있는 자료이다. 참고로 나무의 단면을 봤을 때 가장 중심이 가장 나이가 많은 부분, 가장 바깥 부분이 가장 최근의 부분이다. 꽃가루 화석을 통해선 기후와 식물 분포를 알 수 있다. 석순을 연구하면 방사성 탄소를 통해 생성 시기를 알 수 있고 산소 동위 원소 비를 통해 생성 당시의 기온을 알 수 있다. 빙하 코어는 빙하에 포함된 공기를 통해 대규모 화산 분출 여부 등의 과거 대기 성분 분석을 할 수 있고, 얼음을 구성하는 산소의 산소 동위 원소비를 통해 기온을 추정할 수 있다. 빙하 코어는 최근 80만년 이내의 것들을 추정할 수 있다. 유공충 화석을 통해서는 유공충 껍데기의 산소 동위 원소비를 분석해 해수의 온도를 추정할 수 있다. 원자량 18의 산소를 원자량 16의 산소로 나눈 값이 낮을수록 수온은 높았음을 알 수 있다. 이렇듯 여러 방법으로 추정한 지질 시대의 기후는 중생대만 빙하기가 없이 온난했다.

지질 시대는 어떻게 구분될까? 우선 지질 시대란 46억년 전 지구 탄생부터 현재까지를 일컫는 말이다. 지질 시대를 구분하는 기준은 생물계의 급격한 변화, 지각 변동, 기후 변화이다. 지질 시대의 구분 단위는 큰 것부터 누대, 대, 기다. 누대는 가장 큰 단위로, 시생 누대와 원생 누대를 합친 선캄브리아 시대와 현생 누대가 있다. 선캄브리아 시대는 화석이 거의 발견되지 않고 화석의 대부분은 현생 누대의 화석이다. 현생 누대는 다시 고생대, 중생대, 신생대로 나뉘고, 기는 이 대들을 세분하는 단위이다. 시생 누대는 40억년 전부터 25억년 전까지, 원생 누대는 25억년 전부터 5억 4천만년 전까지이다. 현생 누대로 넘어와서 고생대는 5억 4천만년 전의 캄브리아기부터 순서대로 오르도비스기, 실루리아기, 데본기, 석탄기, 페름기로 나뉜다. 중생대는 2억 5천만년 전의 트라이아스기부터 쥐라기, 백악기로 나뉘고, 신생대는 6천6백만년 전의 팔레오기부터 네오기, 제4기로 나뉜다.

지질 시대의 환경과 대표적인 생물들을 알아보자. 전체 지질 시대의 88퍼센트를 차지하는 선캄브리아 시대의 지층은 지각 변동을 많이 겪고, 생물의 수가 적기 때문에 환경을 추정하기 어렵다. 선캄브리아 시대 중 시생 누대에는 산소가 철과 결합하여 급격하게 소모되면서 호상철광층을 형성했기에 대기 중에 산소가 없었고, 원핵생물인 시아노박테리아(남세균)가 출현하였다. 남세균이 얕은 바다에서 퇴적물과 함께 화석이 된 것이 스트로마톨라이트이다. 스트로마톨라이트는 적도 부근의 바다에 많고, 우리나라에는 소청도나 태백시 구문소에 분포한다. 원생 누대에는 남세균의 광합성으로 대기 중에 산소가 증가했고, 후기(6억년 전)에는 원시적 다세포 생물(단단한 껍질이 있는 생물들)이 출현했다. 이에 따라 6.7억년 전 해파리, 벌레, 해면동물 등 무척추동물의 흔적 화석인 에디아카라 동물군 화석이 발견되었다. 고생대는 대체로 온난했고, 오르도비스기 말, 석탄기 말, 페름기에 빙하기가 있었다. 말기에는 판게아가 형성되면서 대규모 조산 운동이 일어났다. 생물은 해양 생물이 급격히 증가했고, 무척추동물과 어류, 양서류, 파충류가 출현하였다. 중생대는 온난하고 빙하기가 없었다. 트라이아스기 말에는 판게아가 분리되면서 대서양, 인도양, 로키산맥, 안데스산맥 등이 형성되었다. 판게아가 분리되면서 화산 활동이 활발해짐에 따라 대기 중 이산화탄소 농도가 올라가서 온실 효과로 인해 온난 기후가 지속되었다. 생물은 더욱 다양한 생물이 출현했고, 공룡을 비롯한 파충류가 번성하여 파충류의 시대로 불린다. 또한 트라이아스기에는 원시 포유류가 출현했다. 신생대는 팔레오기와 네오기는 온난, 제4기는 4번의 빙하기와 3번의 간빙기가 있었다. 인도 대륙과 아프리카 대륙이 유라시아 대륙과 충돌하면서 히말라야산맥과 알프스산맥이 형성되었고, 태평양이 축소되면서 오늘날과 비슷한 수륙 분포가 나타나게 되었다. 생물은 포유류, 조류, 속씨식물과 침엽수가 번성하고, 포유류, 조류의 시대이기도 하다.

지질 시대에는 5번의 대멸종이 있었다. 오르도비스기 말(빙하기, 화산 폭발), 데본기 후기(빙하기, 운석 충돌), 페름기 말(판게아 형성, 운석 충돌, 가장 대규모 멸종), 트라이아스기 말(판게아 분리에 따른 대규모 화산 폭발), 백악기 말(소행성 충돌, 화산 폭발)의 대멸종이 그것이다.